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JP2004026624A - Method of manufacturing substrate for semiconductor device, substrate for semiconductor device and semiconductor device - Google Patents

Method of manufacturing substrate for semiconductor device, substrate for semiconductor device and semiconductor device Download PDF

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JP2004026624A
JP2004026624A JP2002264240A JP2002264240A JP2004026624A JP 2004026624 A JP2004026624 A JP 2004026624A JP 2002264240 A JP2002264240 A JP 2002264240A JP 2002264240 A JP2002264240 A JP 2002264240A JP 2004026624 A JP2004026624 A JP 2004026624A
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JP
Japan
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gan layer
substrate
mask
growth suppression
layer
Prior art date
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Application number
JP2002264240A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsugi Wada
和田 貢
Toshiaki Kuniyasu
国安 利明
Toshiaki Fukunaga
福永 敏明
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Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a substrate for semiconductor device having low defect density over a wide area. <P>SOLUTION: A 1st GaN layer 5 having a plurality of pits 5b corresponding to a growth suppression mask 4a is formed by forming an SiO<SB>2</SB>film 4 on a base substrate 1, forming a plurality of the growth suppression masks 4a each composed of a dot like (circular) SiO<SB>2</SB>having ≤2.5 μm maximum width to disperse on the base substrate 1 and growing the GaN layer from a non-mask forming part where the growth suppression mask 4a is not formed. After that, the SiO<SB>2</SB>growth suppression mask 4a is removed and a 2nd GaN layer 6 is grown on the 1st GaN layer 5 until the surface becomes flat. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子用基板およびその製造方法ならびにその基板を用いた半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
410nm帯の短波長半導体レーザ素子として、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998) pp.L1020において、サファイア基板上にGaN層を形成した後、GaN層上に形成したSiOをストライプパターン状のマスクとし、このSiOマスクから露出するGaN層のストライプ状部分に生じる成長の核から選択横成長によりGaN厚膜を形成した後、このGaN厚膜を剥がして基板とし、このGaN基板上に、n−GaNバッファ層、n−InGaNクラック防止層、n−AlGaN/GaN変調ドープ超格子クラッド層、n−GaN光導波層、n−InGaN/InGaN多重量子井戸活性層、p−AlGaNキャリアブロック層、p−GaN光導波層、p−AlGaN/GaN変調ドープ超格子クラッド層、p−GaNコンタクト層を積層してなるものが報告されている。しかしながら、この半導体レーザにおいては30mW程度の横基本モード発振と30mW程度までの信頼性しか得られておらず、高出力での信頼性が得られていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の選択横成長基板(ELOG基板)は、SiOマスクから露出するGaN層のストライプ状部分に生じた成長の核からGaN層を選択横成長させて形成したものである。このとき、GaN層の選択横成長した領域においては欠陥が低減したものとなる。
【0004】
しかしながら、この従来の方法では、成長核形成密度が大きいために成長核が小さい状態で架橋するために、この架橋部において欠陥が発生する。基板としても用いるためには、ある程度の膜厚のGaN層とする必要があり、架橋部における欠陥密度が小さかったとしても、膜厚を大きくするにつれ、欠陥密度は増加してしまう。したがって、広範囲に亘る低欠陥領域を形成することが困難であった。
すなわち従来のELOG基板においては、低欠陥領域が狭い領域に限られている。しかるに、信頼性の高い出力の半導体レーザを得るためには、基板上の導波路が形成される箇所が低欠陥領域となっている必要がある。そのため、低欠陥領域が狭い領域に限られた従来のELOG基板は、前述の文献に示されているような幅狭のストライプ構造を有する半導体レーザには有効であるが、幅広のストライプ構造を有する半導体レーザについては信頼性が得られない。
【0005】
信頼性の高い高出力発振可能な半導体レーザを得るためには、幅広のストライプ構造を備える必要があり、幅広ストライプの半導体レーザにおいて高信頼性を得るためには、広範囲に亘って欠陥の少ないGaN基板を用いて構成する必要がある。つまり、従来のELOG基板では高出力でかつ信頼性の高い半導体レーザを得ることが困難であった。
【0006】
なお、上記においては半導体レーザを例に挙げて説明したが、半導体素子用基板上に半導体層を備えてなる半導体素子の信頼性は一般に基板の欠陥密度に左右される。従って、広範囲に亘って欠陥の少ない基板を得ることが半導体素子全般に亘って求められている。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みて、広範囲に亘って欠陥密度が低い半導体素子用基板およびその製造方法、ならびに該方法により製造された半導体素子用基板を用いた、信頼性の高い半導体素子を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子用基板の製造方法は、ベース基板上に、最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスクを離散させて形成する第一の工程と、
前記ベース基板上の、前記成長抑制マスクが形成されていない非マスク形成部分から、GaN層を成長させて、複数の穴を有する第一のGaN層を形成する第二の工程と、
前記第一のGaN層上に第二のGaN層を形成する第三の工程とを含むことを特徴とするものである。
【0009】
なお、前記第二の工程の後、第三の工程前に、前記成長抑制マスクを除去する工程を含んでもよい。
【0010】
上記製造方法はさらに、前記第二のGaN層上に最大幅2.5μm以下の複数の新たな成長抑制マスクを形成する第四の工程と、前記第二のGaN層上の、前記新たな成長抑制マスクが形成されていない非マスク形成部分から、GaN層を成長させて、複数の穴を有する第三のGaN層を形成する第五の工程と、前記第三のGaN層上に第四のGaN層を形成する第六の工程とを含むことが望ましい。なお、この第四の工程から第六の工程を含むにあたっては、第四の工程から第六の工程を1回含んでもよいし、複数回含んでもよい。ここで、複数回含むとは、先に形成された穴を有するGaN層上に結晶成長させたGaN層の上面に新たな複数の穴を有する層を形成し、さらに、この新たな穴を有するGaN層上に新たなGaN層を結晶成長させるという工程を複数回繰り返して半導体素子用基板を形成することをいう。
【0011】
また、前記第五の工程の後、第六の工程前に、前記新たな成長抑制マスクを除去する工程を含んでもよい。
【0012】
なお、上記製造方法においては、前記成長抑制マスク同士の間隔が、2.5μm以下であることが望ましい。なお、マスク同士の間隔とは、例えば、一つのマスクに注目したとき、このマスクの周辺に形成されているマスクのうち、最も近接して形成されているマスクとの最短距離をいうものとする。
【0013】
また、前記成長抑制マスクが形成される層の上面における前記マスクが占める面積の割合が40%以上、90%以下であることが望ましい。
【0014】
さらに、前記成長抑制マスクは、誘電体材料からなるものであることが望ましい。誘電体材料としては、SiO、Al、SiN等が挙げられる。
【0015】
なお、最上層に、導電性不純物をドーピングした導電性GaN層を形成する工程を含むようにしてもよい。
【0016】
前記ベース基板としては、該ベース基板の前記成長抑制マスクが形成される面が、GaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つにより構成されているものであることが望ましい。例えば、ベース基板自体が、GaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つから構成されるものであってもよいし、GaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つからなるベース基板主部と、該ベース基板主部上に形成されたGaN層からなるものであってもよい。
【0017】
また、本発明の半導体素子用基板の製造方法においては、さらに、前記ベース基板を除去する工程を含んでもよい。なおここで、ベース基板のみならず、ベース基板側から最上層以外の任意の層までを除去する場合もこれに含まれる。例えば、最上層として導電性GaN層を形成し、その後、ベース基板から導電性GaN層の下層のGaN層までを除去し、導電性GaN層を半導体素子用基板としてもよい。
【0018】
本発明の半導体素子は、上述の本発明の半導体素子用基板の製造方法により製造された半導体素子用基板上に半導体層を備えてなることを特徴するものである。ここでいう本発明の半導体素子用基板には、ベース基板側から最上層以外の任意の層までを除去することにより製造された半導体素子用基板も含まれる。
【0019】
本発明の半導体素子用基板は、ベース基板と、該ベース基板上の、離散して形成された最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスク以外の非マスク形成部分から成長した、複数の穴を有する第一のGaN層と、前記第一のGaN層上に形成された第二のGaN層とを備えたことを特徴とするものである。
【0020】
また、本発明の半導体素子用基板は、さらに前記第二のGaN層上の、離散して形成された最大幅2.5μm以下の複数の新たな成長抑制マスク以外の非マスク形成部分から成長した、複数の穴を有する第三のGaN層と、前記第三のGaN層上に形成された第四のGaN層とを備えていてもよい。
【0021】
本発明の半導体素子用基板は、ベース基板上に形成された成長抑制マスク、第二のGaN層上に形成された成長抑制マスクが残留していてもよいし、除去されていてもよい。
【0022】
なお、本発明の半導体素子用基板は、前記成長抑制マスク同士の間隔が2.5μm以下であることが望ましい。
【0023】
また、前記成長抑制マスクが形成された層の上面における前記マスクが占める面積の割合が40%以上、90%以下であることが望ましい。
【0024】
【発明の効果】
本発明の半導体素子用基板の製造方法は、ベース基板上に、最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスクを離散して形成し、該マスク以外の部分から成長させることにより複数の穴を有する第一のGaN層を形成し、この複数の穴を有する層上に第二のGaN層を結晶成長させて形成するようにしたため、従来よりも成長核形成密度を低減することができ、結果として広範囲にわたって低欠陥密度の領域を有するGaN層を形成することができる。
【0025】
また、さらに、最上層のGaN層上に複数の新たな成長抑制マスクを形成し、該マスクに応じた複数の穴を有するGaN層を形成した上で、該穴を有するGaN層上に新たなGaN層を結晶成長させるという工程を1回または複数回繰り返すことにより、より低欠陥なGaN層を得ることができる。
【0026】
なお、複数の穴を有する層は、ベース基板上に、最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスクを離散して形成し、該マスク以外の部分から成長させることにより形成するので、例えば、一旦穴のないGaN層を形成してからエッチング等により穴を形成する方法と比較して、穴を有するGaN層を容易に形成することができる。
【0027】
前記成長抑制マスクが形成された層における該マスクが占める面積の割合を40%以上、90%以下とすることにより、このマスクに対応する複数の穴を有するGaN層の穴も同等の穴径および占有面積を持つものとすることができ、このような穴を有するGaN層上にGaN層を成長させることにより、効果的に成長核密度を低減することができるため、欠陥密度の低いGaN層を得ることができる。
【0028】
また、最上層として導電性GaN層を形成すれば、欠陥密度の低い導電性の半導体素子用基板を製造することができる。
【0029】
また、本発明の半導体素子は、欠陥の少ない本発明の半導体素子用基板の上に半導体層を備えてなるので、高い信頼性を得ることができる。
【0030】
本発明の半導体素子用基板は、ベース基板上に離散して形成された最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスクを用いて、該マスク以外の部分から成長させた、複数の穴を有する第一のGaN層と、該第一のGaN層上に結晶成長した第二のGaN層とを備えてなるものであり、複数の穴を有するGaN層上に結晶成長して形成されたGaN層は、広範囲にわたって低欠陥の領域を有するものであり、基板として信頼性の高いものとすることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【0032】
本発明の第一の実施形態による半導体素子用基板は、図1(d)に示すように、ベース基板1上に複数の穴5bを有する第一のGaN層5および該第一のGaN層5上に結晶成長させて形成された第二のGaN層6を積層してなる。
【0033】
この半導体素子用基板は、まず図1(a)に示すように、ベース基板1上に上にSiO膜4を形成し、その後、図1(b)に示すように、複数のドット(円形)状のSiOからなる成長抑制マスク4aをベース基板1上に離散させて形成し、図1(c)に示すように、ベース基板1上に、このドット状の成長抑制マスク4aが形成されていない非マスク形成部分からGaN層を成長させることにより、成長抑制マスク4aに対応する複数の穴5bを有する第一のGaN層5を形成し、その後、SiO成長抑制マスク4aを除去し、図1(d)に示すように、第一のGaN層5上に第二のGaN層6を表面が平坦化するまで成長させることにより製造されたものである。
【0034】
なお、ここで成長抑制マスク4aは、その最大幅(ベース基板1の上面におけるマスク4aの最大径)が2.5μm以下、ベース基板1上面における該マスクが占める面積の割合を40%以上、90%以下とすることが望ましい。このマスクを利用して形成された穴がマスクと同等の径、占有面積となるようにGaN層を成長させる。また、この穴を有するGaN層の膜厚はマスク径と同値以上であることが好ましい。
【0035】
成長抑制マスク4aを用いることにより、容易に複数の穴5bを有する第一のGaN層5を得ることができ、この上に選択横成長により第二のGaN層6を形成することにより、従来と比較して成長核形成密度を低減することができる。また、成長核形成密度を低減することにより、基板との格子不整合に起因する歪による欠陥も低減することができる。
【0036】
また、穴5bを有する第一のGaN層5上に選択横成長により第二のGaN層6を成長させる際には、第一のGaN層5上面および穴5bの内面となるGaN層の部分にも成長の核が発生すると考えられる。穴の径と深さとを所定の関係に設定することにより、例えばマスク4aの最大幅を1μm以下とし、これに合せて穴の深さを適宜に設定することにより、穴5bからの成長よりも第一のGaN層5の上面に生じた成長の核からの横方向の成長により穴上部が閉じるのを早くさせ、穴5bの下部に一部空間を生じさせることができる。このような空間を有することにより、基板との熱膨張係数の差に起因する歪による欠陥を効果的に低減することができる。
【0037】
図2に本発明の第二の実施形態の半導体素子用基板を示す。この第二の実施形態の半導体素子用基板は、図2(a)に示すように、上記第一の実施形態で形成した第二のGaN層6の上面に、ベース基板1上にマスク4aを形成したのと同様の方法で、複数の新たな成長抑制マスク7aを形成し、同図(b)に示すように、この成長抑制マスク7aを利用して複数の穴を有する第三のGaN層8を形成し、さらに同図(c)に示すように第三のGaN層8上に第四のGaN層9を選択横成長により形成したものである。このように複数の穴を有するGaN層の形成と、該穴を有するGaN層上への選択横成長による新たなGaN層の形成とを繰り返すことにより、さらに欠陥の低減したGaN層を得ることができる。この工程は3回以上繰り返してもよい。
【0038】
なお、本実施形態においては、成長抑制マスクとしてSiOを用いたが、GaN層の成長を抑制するマスク材としての機能を維持できるものであればよく、SiOのみならず、アルミナ(Al)や窒化珪素(SiN)等の誘電体を用いてもよい。
【0039】
図3は、半導体積層面を上方から見た図であり、成長抑制マスクを形成する際の代表的なレイアウトを示すものである。成長抑制マスクは、図3(a)に示すように、マスクの幅Axとマスク間隔Bx、マスクの幅Ayとマスク間隔Byとが等間隔となるように(4回対称となるように)整列されていてもよいし、あるいは図3(b)に示すように、マスクが正三角形状に(6回対称となるように)整列されていてもよい。また、図3(c)に示すように、無秩序に並べられていてもよい。但し、いずれの場合にも、最隣接マスク同士の間隔(各図においてZa,Zb,Zc)が2.5μm以下となるようにすることが望ましい。図3(c)においてはマスクが無秩序に並べられているため、各マスク毎に最隣接マスクとの間隔が異なるが、いずれのマスクについても最隣接のマスクとの間隔が2.5μm以下となるようにすることが望ましい。
【0040】
なお、上記実施形態においては、マスク形状を円形としたが、マスク形状は円形に限るものではなく、多角形、その他任意の形状を採用することができる。
【0041】
ベース基板1としては、少なくとも成長抑制マスクが形成される面がGaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、Ge、Siで構成されているものを用いる。具体的には、ベース基板1自体がGaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つから構成されたものであってもよいし、GaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つからなるベース基板主部と、該ベース基板主部上に形成されたGaN層とから構成されているものであってもよい。
【0042】
なお、図1(d)もしくは図2(c)に示すように、ベース基板1から最上層のGaN層を含んで半導体素子用基板としてもよいし、図4に示すようにベース基板1を除去して半導体素子用基板とすることもできる。
【0043】
また、上記実施形態では、GaNの成長はアンドープの場合について述べたが、GaNの成長時に導電性不純物を導入することにより、nまたはp型GaN層を成長させ、この導電性GaN層成長後、図4に示すように、ベース基板1を除去して導電性の半導体素子用基板とすることができる。
【0044】
また、図5(a)に示すように、図2(c)に示す半導体用基板の最上層のGaN層9上に導電性不純物を導入したn型またはp型のGaN層9’を100〜200μm程度の厚みまで成長させ、図5(b)に示すように、ベース基板1からGaN層9までを除去して導電性のGaN層9’を導電性の半導体素子用基板としてもよい。
【0045】
いずれにしても最上層であるGaN層の欠陥密度が低減されているために、このGaN層上に半導体層を積層してなる半導体素子の信頼性が向上する。
【0046】
なお、導電性の基板上に活性層等の半導体層を積層して半導体レーザ等の半導体素子を形成した場合、基板の裏面に電極を形成することができるため素子作製プロセスを簡略化することができる。
【0047】
本発明による半導体素子用基板は、欠陥密度が小さいため、信頼性が高く、高速な情報・画像処理及び通信、計測、医療、印刷の分野での必要とされる光・電子デバイス作製用の基板として応用できる。ここでいう、半導体素子あるいは光・電子デバイスとしては、電界効果トランジスタ、半導体レーザ素子、半導体光増幅器、半導体発光素子、光検出器等が挙げられる。
【0048】
以下、本発明の実施の形態による半導体素子用基板の製造方法について、さらに実施例により具体的に説明する。
【0049】
以下において、成長用材料としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)およびアンモニアを用い、n型ドーパントガスとしてシランガスを用い、p型ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)を用いた。
【0050】
(実施例1)
まず、図1(a)に示すように、ベース基板である(0001)面サファイア基板1上にSiHガスとNOガスを用いたプラズCVD法により0.5μm程度の厚みのSiO膜4を形成した。
【0051】
その後、SiO膜4上にフォトリソグラフィー法によって2.5μm以下の径のドットを、ドット径と同等のピッチで形成したレジストパターン(図示せず)を形成し、該レジストパターンを用いて、CHF/Oガスを用いたRIEドライエッチング法によりSiO膜4をエッチングした。その後、レジストをOプラズマアッシング法によって除去した。このようにして、図1(b)に示すような複数のドット状のSiO成長抑制マスク4aが離散して配置されたパターンが形成された。このとき、サファイア基板1上におけるSiO成長抑制マスク4aの占有面積は、該基板1上面の総面積の40%以上、90%以下となるようにした。
【0052】
次に、温度を500℃で図示しないGaNバッファ層を20nm形成し、続いて、温度を1050℃にして、GaNバッファ層上に、非マスク形成部分から第一のGaN層5を3μm程度成長させた。第一のGaN層5は非マスク形成部分のサファイア基板1から成長し、SiO成長抑制マスク4a上には成長しないため、図1(c)に示すような複数の穴5bを有する層となる。なお、第一のGaN層5は、非マスク形成部分から若干横方向へ成長してマスク4aの縁上にも形成されるため、穴5bの径はマスク4aの径よりも若干小さくなった。このとき、穴5bを有する第一のGaN層5の膜厚は穴5bの径と同値以上であることが望ましい。
【0053】
その後、バッファードフッ酸でSiO成長抑制マスク4aをエッチング除去した後に、温度を1080℃にして、再びMOCVD法により図1(d)に示すように、横方向の成長により合体して表面が平坦化するまで第二のGaN層6を結晶成長させた。こうして低欠陥密度の第二のGaN層6が形成された。
【0054】
このようにして形成した半導体素子用基板について、エッチング液に浸水させて行うエッチピット密度(etch pit density)評価を行った結果、従来の製造方法で作製された半導体素子用基板と比較して、欠陥密度が2桁から4桁程度低減した。
【0055】
次に、ベース基板1として、ベース基板主部と該ベース基板主部上に形成されたGaN層とから構成されてなるものを利用して形成した半導体素子用基板の製造方法の実施例について説明する。
【0056】
(実施例2)
まず、図6(a)に示すように、有機金属気相成長法によりベース基板主部である(0001)面サファイア1A上に温度500℃でGaNバッファ層1Bを20nm程度の膜厚で形成し、続いて、温度を1050℃にしてGaN層1Cを2μm程度成長させベース基板1を形成した。
【0057】
ベース基板1上に、SiHガスとNOガスを用いたプラズCVD法により0.5μm程度の厚みのSiO膜4を形成した。
【0058】
その後、SiO膜4上にフォトリソ法によって2.5μm以下の径のドットを、ドット径と同等のピッチで形成したいレジストパターン(図示せず)を形成し、該レジストパターンを用いて、CHF/Oガスを用いたRIEドライエッチング法によりSiO膜をエッチングした。その後、レジストをOプラズマアッシング法によって除去した。このようにして、図6(b)に示すようなSiOの複数のドットが離散して配置されたパターンが形成された。このとき、GaN層1C上のドットの占有面積は、GaN層1C上面の総面積の40%以上、90%以下となるようにした。
【0059】
次に、再び、温度を1050℃にして、ドット状のSiOを成長抑制マスク4aとして、のGaN層1C上に、非マスク形成部分からGaN層を成長させた。GaN層は非マスク形成部分のGaN層1Cから成長し、SiO成長抑制マスク4a上には成長しないため、図6(c)に示すような複数の穴5bを有する第一のGaN層5となる。なお、第一のGaN層5は、非マスク形成部分から若干横方向へ成長してマスク4aの縁上にも形成されるため、穴5bの径はマスク4aの径よりも若干小さくなった。
【0060】
その後、バッファードフッ酸でSiO成長抑制マスク4aをエッチング除去した後に、再び温度を1050℃にして、図6(d)に示すように、横方向の成長により合体して表面が平坦化するまで第二のGaN層6を結晶成長させた。こうして低欠陥密度の第二のGaN層6が形成された。
【0061】
さらに、上述の図6(b)〜同図(d)と同様の手順により、図2(a)に示すように、第二のGaN層6上面にドットパターン状のSiO成長抑制マスク7aを形成し、図2(b)に示すように、複数の穴8bを有する第三のGaN層8を成長させ、さらに図2(c)に示すように、該複数の穴8bを有する第三のGaN層8上に第四のGaN層9を表面が平坦化するまで結晶成長させることにより、より欠陥密度の低減された半導体素子用基板を得ることができた。
【0062】
このようにして形成した半導体素子用基板について、エッチング液に浸水させて行うエッチピット密度(etch pit density)評価を行った結果、従来の製造方法で作製された半導体素子用基板と比較して、欠陥密度が2桁から6桁程度低減した。
【0063】
なお、上記実施例1および2においては、SiO成長抑制マスクを除去する工程を経たが、成長抑制マスク4a、7aを除去することなく残留させ、そのまま上層となるGaN層を成長させることにより成長抑制マスク4a、7aが内部に埋めこまれた基板としてもよい。
【0064】
次に、成長抑制マスクを除去する工程を省いた半導体素子用基板の製造方法の実施例を説明する。
【0065】
(実施例3)
まず、MOCVD法においてSiCベース主部1A上にバッファ層1B、GaN層1Cを積層したものを作成し、ベース基板1とした(図6(a))。
【0066】
ベース基板1上(すなわちGaN層1C上)にSiHガスとNOガスを用いたプラズCVD法により0.5μm程度の厚みのSiO膜4を形成した。
【0067】
その後、SiO膜4上にフォトリソグラフィー法によって2.5μm以下の径のドットを、ドット径と同等のピッチで形成したレジストパターン(図示せず)を形成し、該レジストパターンを用いて、CHF/Oガスを用いたRIEドライエッチング法によりSiO膜4をエッチングした。その後、レジストをOプラズマアッシング法によって除去した。このようにして、複数のドット状のSiO成長抑制マスク4aが離散して配置されたパターンが形成された(図6(b))。このとき、ベース基板上におけるSiO成長抑制マスク4aの占有面積は、該基板1上面の総面積の40%以上、90%以下となるようにした。
【0068】
次に、温度を1050℃にして、基板上に、非マスク形成部分から第一のGaN層5を3μm程度成長させた。第一のGaN層5は非マスク形成部分のベース基板1から成長し、SiO成長抑制マスク4a上には成長しないため、複数の穴5bを有する層となる(図6(c))。
【0069】
その後、温度を1080℃にして、再びMOCVD法により図7(a)に示すように、横方向の成長により合体して表面が平坦化するまで第二のGaN層6を結晶成長させた。こうして低欠陥密度の第二のGaN層6が形成された。
【0070】
さらに、同様の手順により、第二のGaN層6上面にドットパターン状のSiO成長抑制マスク7aを形成し、複数の穴8bを有する第三のGaN層8を成長させ、さらに該複数の穴8bを有する第三のGaN層8上に第四のGaN層9を表面が平坦化するまで結晶成長させることにより、図7(b)に示すようなより欠陥密度の低減された半導体素子用基板を得ることができた。
【0071】
このようにして形成した半導体素子用基板について、エッチング液に浸水させて行うエッチピット密度(etch pit density)評価を行った結果、従来の製造方法で作製された半導体素子用基板と比較して、欠陥密度が4から6桁程度低減した。
【0072】
次に上記実施例の半導体素子用基板を備えた半導体素子の一例である半導体レーザ素子の実施例を示す。
【0073】
(実施例4)
図8に示すように、実施例2の方法で形成された半導体素子用基板の、GaN層9の上にn−GaNコンタクト層10、n−Ga1−z1Alz1N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層11、n−Ga1−z2Alz2N光導波層12、Inx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層13(0.5>x1>x2≧0)、p−Ga1−z3Alz3Nキャリアブロッキング層14、p−Ga1−z2Alz2N光導波層15、p−Ga1−z1Alz1N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層16、p−GaNコンタクト層17を積層した。なお、ここでGaAlN半導体層の組成比は1≧z1>z3>z2≧0とした。
【0074】
引き続き、SiO膜(図示せず)とレジスト(図示せず)を形成し、通常のリソグラフィーにより、30μm程度の幅よりなるストライプ領域のレジストとSiO膜が残るように、この領域以外のSiO膜とレジストを除去する。RIE(反応性イオンエッチング装置)で選択エッチングによりp型超格子クラッド層16の途中までエッチングを行った。このエッチングのp型超格子クラッド層16の残し厚は、屈折率導波が達成できる厚みとした。その後、レジストとSiO膜を除去した。
【0075】
次に、再度SiO膜(図示せず)とレジスト(図示せず)を形成し、ストライプ領域とストライプ領域の各端から20μm外側の領域を含む領域以外のSiO膜とレジストを除去し、RIEでn−GaNコンタクト層10が露出するまでエッチングを行った。その後、通常のリソグラフィー技術を用い、n−GaNコンタクト層10表面にTi/Alよりなるn側電極18を形成し、p−GaNコンタクト層17の表面にストライプ状にNi/Auよりなるp側電極19を形成した。その後、基板を研磨し試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを行い、その後、チップ化して半導体レーザ素子を完成させた。
【0076】
この半導体レーザ素子は低欠陥のGaN層9上に幅広のストライプ構造が形成されているので、高出力下においても高い信頼性を得ることができた。
【0077】
なお、上記構成の半導体レーザ素子は、その活性層の組成を制御することにより、発振波長λを、380≦λ≦550(nm)の範囲で制御することができる。
【0078】
本実施例の半導体レーザ素子としては、ストライプ幅が30μmの幅広ストライプのリッジ構造の屈折率導波型半導体レーザについて述べたが、内部に電流狭窄構造を有するレーザやリッジ構造を埋め込み屈折率導波機構を作りつけた半導体レーザ等としてもよい。また、本発明の半導体素子用基板は、ストライプ幅が1〜2μm程度の基本横モード発振する半導体レーザ素子の作製にも応用できる。
【0079】
また、上記実施例の各半導体層の導電性を反転(n型とp型を入れ換え)した半導体レーザ素子を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体素子用基板の製造過程を示す斜視図
【図2】本発明の第2の実施の形態による半導体素子用基板の製造過程を示す斜視図
【図3】成長抑制マスクの配置レイアウト例を示す図
【図4】ベース基板を除去して構成された半導体素子用基板の斜視図
【図5】導電性の半導体素子用基板の斜視図
【図6】本発明の実施例2の半導体素子用基板の製造過程を示す斜視図
【図7】本発明の実施例3の半導体素子用基板の製造工程を示す斜視図
【図8】本発明の実施例の半導体素子用基板を用いた半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
1  ベース基板
1A  ベース基板主部
1B  GaNバッファ層
1C  GaN層
4  SiO
4a  SiO成長抑制マスク
5  第一のGaN層
5b  穴
6  第二のGaN層
7a  SiO成長抑制マスク
8  第三のGaN層
8b  穴
9  第四のGaN層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element substrate, a method for manufacturing the same, and a semiconductor element using the substrate.
[0002]
[Prior art]
As a 410 nm band short wavelength semiconductor laser element, Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 37 (1998) pp. In L1020, after forming a GaN layer on a sapphire substrate, SiO formed on the GaN layer 2 Is a stripe pattern mask, and this SiO 2 2 After forming a GaN thick film by selective lateral growth from the growth nucleus generated in the striped portion of the GaN layer exposed from the mask, the GaN thick film is peeled off to form a substrate, and an n-GaN buffer layer on the GaN substrate, n-InGaN crack prevention layer, n-AlGaN / GaN modulation doped superlattice cladding layer, n-GaN optical waveguide layer, n-InGaN / InGaN multiple quantum well active layer, p-AlGaN carrier block layer, p-GaN optical waveguide layer , A p-AlGaN / GaN modulation-doped superlattice cladding layer and a p-GaN contact layer have been reported. However, in this semiconductor laser, only a transverse fundamental mode oscillation of about 30 mW and reliability up to about 30 mW are obtained, and reliability at high output is not obtained.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional selective lateral growth substrate (ELOG substrate) as described above is SiO. 2 The GaN layer is formed by selective lateral growth from the growth nucleus generated in the striped portion of the GaN layer exposed from the mask. At this time, defects are reduced in the region where the GaN layer is selectively laterally grown.
[0004]
However, in this conventional method, since the growth nucleus formation density is high and the growth nuclei are crosslinked in a small state, defects are generated in the crosslinked portion. In order to use it as a substrate, it is necessary to form a GaN layer having a certain thickness, and even if the defect density at the bridge portion is small, the defect density increases as the film thickness is increased. Therefore, it has been difficult to form a low defect area over a wide range.
That is, in the conventional ELOG substrate, the low defect area is limited to a narrow area. However, in order to obtain a highly reliable semiconductor laser, it is necessary that the portion on the substrate where the waveguide is formed is a low defect region. Therefore, the conventional ELOG substrate in which the low defect region is limited to a narrow region is effective for a semiconductor laser having a narrow stripe structure as shown in the above-mentioned document, but has a wide stripe structure. The reliability of the semiconductor laser cannot be obtained.
[0005]
In order to obtain a highly reliable semiconductor laser capable of high-power oscillation, it is necessary to have a wide stripe structure. To obtain high reliability in a wide stripe semiconductor laser, GaN with few defects over a wide range. It is necessary to configure using a substrate. In other words, it has been difficult to obtain a semiconductor laser having high output and high reliability with the conventional ELOG substrate.
[0006]
In the above description, the semiconductor laser has been described as an example. However, the reliability of a semiconductor element including a semiconductor layer on a semiconductor element substrate generally depends on the defect density of the substrate. Therefore, it is required over the entire semiconductor device to obtain a substrate with few defects over a wide range.
[0007]
In view of the above circumstances, the present invention provides a semiconductor element substrate having a low defect density over a wide range, a manufacturing method thereof, and a highly reliable semiconductor element using the semiconductor element substrate manufactured by the method. It is for the purpose.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a substrate for a semiconductor element of the present invention includes a first step of discretely forming a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less on a base substrate,
A second step of forming a first GaN layer having a plurality of holes by growing a GaN layer from a non-mask forming portion on which the growth suppression mask is not formed on the base substrate;
And a third step of forming a second GaN layer on the first GaN layer.
[0009]
Note that a step of removing the growth suppression mask may be included after the second step and before the third step.
[0010]
The manufacturing method further includes a fourth step of forming a plurality of new growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less on the second GaN layer, and the new growth on the second GaN layer. A fifth step of growing a GaN layer from a non-mask forming portion where no suppression mask is formed to form a third GaN layer having a plurality of holes, and a fourth step on the third GaN layer. And a sixth step of forming the GaN layer. In addition, in including the fourth process to the sixth process, the fourth process to the sixth process may be included once or a plurality of times. Here, including a plurality of times means forming a layer having a plurality of new holes on the upper surface of the GaN layer grown on the GaN layer having the previously formed holes, and further including the new holes. A process for crystal growth of a new GaN layer on a GaN layer is repeated a plurality of times to form a semiconductor device substrate.
[0011]
Further, it may include a step of removing the new growth suppression mask after the fifth step and before the sixth step.
[0012]
In the above manufacturing method, it is desirable that an interval between the growth suppression masks is 2.5 μm or less. Note that the distance between the masks means, for example, the shortest distance from the masks formed closest to each other among the masks formed around the mask when attention is paid to one mask. .
[0013]
The ratio of the area occupied by the mask on the upper surface of the layer on which the growth suppression mask is formed is preferably 40% or more and 90% or less.
[0014]
Furthermore, the growth suppression mask is preferably made of a dielectric material. As a dielectric material, SiO 2 , Al 2 O 3 , SiN and the like.
[0015]
Note that a step of forming a conductive GaN layer doped with a conductive impurity in the uppermost layer may be included.
[0016]
As the base substrate, the surface of the base substrate on which the growth suppression mask is formed is GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO. 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si is desirable. For example, the base substrate itself is GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO. 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si, or GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si, and a GaN layer formed on the base substrate main part.
[0017]
The method for manufacturing a semiconductor element substrate of the present invention may further include a step of removing the base substrate. Here, not only the base substrate but also the case of removing any layer other than the uppermost layer from the base substrate side is included. For example, a conductive GaN layer may be formed as the uppermost layer, and then the base substrate to the GaN layer below the conductive GaN layer may be removed, and the conductive GaN layer may be used as a semiconductor element substrate.
[0018]
The semiconductor element of the present invention is characterized by comprising a semiconductor layer on the semiconductor element substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor element substrate of the present invention. The semiconductor element substrate of the present invention here includes a semiconductor element substrate manufactured by removing any layer other than the uppermost layer from the base substrate side.
[0019]
The substrate for a semiconductor device of the present invention has a plurality of holes grown from a non-mask forming portion other than a base substrate and a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less formed discretely on the base substrate. And a second GaN layer formed on the first GaN layer.
[0020]
In addition, the substrate for a semiconductor device of the present invention is further grown from a non-mask formation portion other than a plurality of new growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less formed discretely on the second GaN layer. A third GaN layer having a plurality of holes and a fourth GaN layer formed on the third GaN layer may be provided.
[0021]
In the semiconductor element substrate of the present invention, the growth suppression mask formed on the base substrate and the growth suppression mask formed on the second GaN layer may remain or may be removed.
[0022]
In the semiconductor element substrate of the present invention, it is desirable that the distance between the growth suppression masks is 2.5 μm or less.
[0023]
The ratio of the area occupied by the mask on the upper surface of the layer on which the growth suppression mask is formed is preferably 40% or more and 90% or less.
[0024]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a substrate for a semiconductor device of the present invention, a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less are discretely formed on a base substrate, and a plurality of holes are formed by growing from portions other than the mask. Since the first GaN layer is formed and the second GaN layer is formed by crystal growth on the layer having the plurality of holes, the growth nucleation density can be reduced as compared with the conventional method. As a result, a GaN layer having a low defect density region over a wide range can be formed.
[0025]
Further, a plurality of new growth suppression masks are formed on the uppermost GaN layer, a GaN layer having a plurality of holes corresponding to the mask is formed, and then a new GaN layer having the holes is newly formed. By repeating the process of crystal growth of the GaN layer one or more times, a GaN layer having a lower defect can be obtained.
[0026]
In addition, since the layer having a plurality of holes is formed by discretely forming a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less on the base substrate and growing from a portion other than the mask, for example, A GaN layer having a hole can be easily formed as compared with a method in which a GaN layer without a hole is formed once and then a hole is formed by etching or the like.
[0027]
By setting the ratio of the area occupied by the growth suppression mask in the layer formed with the mask to 40% or more and 90% or less, the holes of the GaN layer having a plurality of holes corresponding to the mask also have the same hole diameter and Since the growth nucleus density can be effectively reduced by growing the GaN layer on the GaN layer having such a hole, a GaN layer having a low defect density can be formed. Can be obtained.
[0028]
Further, if a conductive GaN layer is formed as the uppermost layer, a conductive semiconductor element substrate having a low defect density can be manufactured.
[0029]
Moreover, since the semiconductor element of this invention is equipped with the semiconductor layer on the board | substrate for semiconductor elements of this invention with few defects, it can acquire high reliability.
[0030]
The substrate for a semiconductor element of the present invention has a plurality of holes grown from a portion other than the mask using a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less formed discretely on the base substrate. A GaN layer comprising a first GaN layer and a second GaN layer crystal-grown on the first GaN layer, and formed by crystal growth on a GaN layer having a plurality of holes Has a low-defect region over a wide range and can be highly reliable as a substrate.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
The substrate for a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a first GaN layer 5 having a plurality of holes 5b on the base substrate 1 and the first GaN layer 5 as shown in FIG. A second GaN layer 6 formed by crystal growth thereon is laminated.
[0033]
First, as shown in FIG. 1A, this substrate for a semiconductor element is formed on a base substrate 1 with an SiO 2 layer thereon. 2 A film 4 is formed, and then, as shown in FIG. 2 Non-mask formation in which the dot-shaped growth suppression mask 4a is not formed on the base substrate 1 as shown in FIG. 1C. A first GaN layer 5 having a plurality of holes 5b corresponding to the growth suppression mask 4a is formed by growing a GaN layer from the portion, and then SiO 2 2 The growth suppression mask 4a is removed, and as shown in FIG. 1D, the second GaN layer 6 is grown on the first GaN layer 5 until the surface is flattened.
[0034]
Here, the growth suppression mask 4a has a maximum width (maximum diameter of the mask 4a on the upper surface of the base substrate 1) of 2.5 μm or less, and a ratio of the area occupied by the mask on the upper surface of the base substrate 1 is 40% or more, 90 % Or less is desirable. A GaN layer is grown so that holes formed using this mask have the same diameter and occupied area as the mask. Moreover, it is preferable that the film thickness of the GaN layer having the hole is equal to or larger than the mask diameter.
[0035]
By using the growth suppression mask 4a, the first GaN layer 5 having a plurality of holes 5b can be easily obtained, and the second GaN layer 6 is formed on the first GaN layer 6 by selective lateral growth. In comparison, the growth nucleation density can be reduced. Further, by reducing the growth nucleation density, defects due to strain caused by lattice mismatch with the substrate can be reduced.
[0036]
When the second GaN layer 6 is grown by selective lateral growth on the first GaN layer 5 having the hole 5b, the upper surface of the first GaN layer 5 and the portion of the GaN layer that becomes the inner surface of the hole 5b are used. It is thought that the nucleus of growth will occur. By setting the diameter and depth of the hole in a predetermined relationship, for example, the maximum width of the mask 4a is set to 1 μm or less, and by appropriately setting the depth of the hole according to this, the growth from the hole 5b can be made. The lateral growth from the growth nuclei generated on the upper surface of the first GaN layer 5 can speed up the closing of the upper part of the hole, and a part of the space can be formed in the lower part of the hole 5b. By having such a space, it is possible to effectively reduce defects due to distortion caused by a difference in thermal expansion coefficient from the substrate.
[0037]
FIG. 2 shows a semiconductor element substrate according to the second embodiment of the present invention. In the semiconductor element substrate of the second embodiment, as shown in FIG. 2A, a mask 4a is formed on the base substrate 1 on the upper surface of the second GaN layer 6 formed in the first embodiment. A plurality of new growth suppression masks 7a are formed by the same method as that formed, and a third GaN layer having a plurality of holes using the growth suppression masks 7a as shown in FIG. 8 and a fourth GaN layer 9 is formed on the third GaN layer 8 by selective lateral growth as shown in FIG. Thus, by repeating the formation of a GaN layer having a plurality of holes and the formation of a new GaN layer by selective lateral growth on the GaN layer having the holes, a GaN layer with further reduced defects can be obtained. it can. This process may be repeated three or more times.
[0038]
In this embodiment, SiO is used as a growth suppression mask. 2 However, any material can be used as long as it can maintain the function as a mask material that suppresses the growth of the GaN layer. 2 Not only alumina (Al 2 O 3 ) Or a dielectric such as silicon nitride (SiN) may be used.
[0039]
FIG. 3 is a view of the semiconductor laminated surface as viewed from above, and shows a typical layout when a growth suppression mask is formed. As shown in FIG. 3A, the growth suppression mask is aligned so that the mask width Ax and the mask interval Bx, and the mask width Ay and the mask interval By are equal (4 times symmetrical). Alternatively, as shown in FIG. 3B, the masks may be arranged in an equilateral triangle shape (so as to be 6-fold symmetric). Moreover, as shown in FIG.3 (c), you may arrange in disorder. However, in any case, it is desirable that the distance between the nearest neighbor masks (Za, Zb, Zc in each figure) is 2.5 μm or less. In FIG. 3 (c), since the masks are arranged randomly, the distance from the nearest neighbor mask differs for each mask, but the distance from the nearest neighbor mask is 2.5 μm or less for each mask. It is desirable to do so.
[0040]
In the above embodiment, the mask shape is circular. However, the mask shape is not limited to a circle, and a polygon or any other shape can be adopted.
[0041]
As the base substrate 1, at least the surface on which the growth suppression mask is formed is GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO. 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, Si are used. Specifically, the base substrate 1 itself is GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO. 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si, or GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO. 2 LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si, and a main part of the base substrate, and a GaN layer formed on the main part of the base substrate.
[0042]
As shown in FIG. 1 (d) or FIG. 2 (c), the uppermost GaN layer may be included from the base substrate 1 to form a semiconductor element substrate, or the base substrate 1 is removed as shown in FIG. Thus, a semiconductor element substrate can be obtained.
[0043]
Further, in the above-described embodiment, the case where the growth of GaN is undoped has been described. However, by introducing conductive impurities during the growth of GaN, an n-type or p-type GaN layer is grown, and after the growth of the conductive GaN layer, As shown in FIG. 4, the base substrate 1 can be removed to form a conductive semiconductor element substrate.
[0044]
Further, as shown in FIG. 5A, an n-type or p-type GaN layer 9 ′ into which conductive impurities are introduced on the uppermost GaN layer 9 of the semiconductor substrate shown in FIG. As shown in FIG. 5B, the conductive GaN layer 9 ′ may be used as a conductive semiconductor element substrate by removing the base substrate 1 to the GaN layer 9 and growing it to a thickness of about 200 μm.
[0045]
In any case, since the defect density of the uppermost GaN layer is reduced, the reliability of the semiconductor element formed by laminating the semiconductor layer on the GaN layer is improved.
[0046]
Note that when a semiconductor element such as a semiconductor laser is formed by stacking a semiconductor layer such as an active layer over a conductive substrate, an electrode can be formed on the back surface of the substrate, which can simplify the element manufacturing process. it can.
[0047]
The substrate for a semiconductor device according to the present invention has a low defect density, and thus has a high reliability and a high-speed information / image processing and a substrate for manufacturing optical / electronic devices required in the fields of communication, measurement, medical care and printing. It can be applied as Examples of the semiconductor element or the optical / electronic device herein include a field effect transistor, a semiconductor laser element, a semiconductor optical amplifier, a semiconductor light emitting element, and a photodetector.
[0048]
Hereinafter, the manufacturing method of the substrate for a semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0049]
In the following, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI) and ammonia are used as growth materials, silane gas is used as n-type dopant gas, and cyclopentadienylmagnesium (Cp) is used as p-type dopant. 2 Mg) was used.
[0050]
(Example 1)
First, as shown in FIG. 1A, SiH is formed on a (0001) plane sapphire substrate 1 which is a base substrate. 4 Gas and N 2 SiO having a thickness of about 0.5 μm by plasma CVD using O gas 2 A film 4 was formed.
[0051]
Then SiO 2 A resist pattern (not shown) in which dots having a diameter of 2.5 μm or less are formed on the film 4 by a photolithography method at a pitch equivalent to the dot diameter, and CHF is used to form a CHF. 3 / O 2 SiO by RIE dry etching method using gas 2 The film 4 was etched. Then remove the resist 2 It was removed by plasma ashing. In this way, a plurality of dot-like SiO as shown in FIG. 2 A pattern in which the growth suppression masks 4a are discretely arranged is formed. At this time, SiO on the sapphire substrate 1 2 The occupied area of the growth suppression mask 4a was set to be 40% or more and 90% or less of the total area of the upper surface of the substrate 1.
[0052]
Next, a GaN buffer layer (not shown) of 20 nm is formed at a temperature of 500 ° C., and subsequently, the temperature is set to 1050 ° C., and the first GaN layer 5 is grown on the GaN buffer layer from the non-mask forming portion by about 3 μm. It was. The first GaN layer 5 is grown from the sapphire substrate 1 of the non-mask forming part, and the SiO 2 2 Since it does not grow on the growth suppression mask 4a, it becomes a layer having a plurality of holes 5b as shown in FIG. Since the first GaN layer 5 grew slightly laterally from the non-mask forming portion and was also formed on the edge of the mask 4a, the diameter of the hole 5b was slightly smaller than the diameter of the mask 4a. At this time, the film thickness of the first GaN layer 5 having the holes 5b is desirably equal to or larger than the diameter of the holes 5b.
[0053]
Then, SiO with buffered hydrofluoric acid 2 After removing the growth suppressing mask 4a by etching, the temperature is set to 1080 ° C., and the second GaN layer is formed again by the MOCVD method as shown in FIG. 6 was crystal-grown. Thus, the second GaN layer 6 having a low defect density was formed.
[0054]
As a result of performing the etch pit density evaluation performed by immersing the substrate in the semiconductor element so as to be immersed in an etching solution, as compared with the substrate for a semiconductor element manufactured by a conventional manufacturing method, The defect density was reduced by 2 to 4 digits.
[0055]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a substrate for a semiconductor element formed using a base substrate 1 which is composed of a base substrate main portion and a GaN layer formed on the base substrate main portion will be described. To do.
[0056]
(Example 2)
First, as shown in FIG. 6A, a GaN buffer layer 1B having a thickness of about 20 nm is formed on a (0001) plane sapphire 1A, which is a main part of a base substrate, by a metal organic chemical vapor deposition method at a temperature of 500 ° C. Subsequently, the base substrate 1 was formed by growing the GaN layer 1C by about 2 μm at a temperature of 1050 ° C.
[0057]
On the base substrate 1, SiH 4 Gas and N 2 SiO having a thickness of about 0.5 μm by plasma CVD using O gas 2 A film 4 was formed.
[0058]
Then SiO 2 A resist pattern (not shown) for forming dots having a diameter of 2.5 μm or less at a pitch equivalent to the dot diameter is formed on the film 4 by photolithography, and CHF is used to form CHF. 3 / O 2 SiO by RIE dry etching method using gas 2 The film was etched. Then remove the resist 2 It was removed by plasma ashing. In this way, SiO as shown in FIG. 2 A pattern in which a plurality of dots are discretely arranged is formed. At this time, the occupied area of dots on the GaN layer 1C was set to be 40% or more and 90% or less of the total area of the upper surface of the GaN layer 1C.
[0059]
Next, again, the temperature was set to 1050 ° C., and the dot-like SiO 2 2 As a growth suppression mask 4a, a GaN layer was grown on the GaN layer 1C from the non-mask forming portion. The GaN layer grows from the GaN layer 1C of the non-mask forming part, and the SiO 2 Since it does not grow on the growth suppression mask 4a, the first GaN layer 5 having a plurality of holes 5b as shown in FIG. 6C is obtained. Since the first GaN layer 5 grew slightly laterally from the non-mask forming portion and was also formed on the edge of the mask 4a, the diameter of the hole 5b was slightly smaller than the diameter of the mask 4a.
[0060]
Then, SiO with buffered hydrofluoric acid 2 After removing the growth suppressing mask 4a by etching, the temperature is set again to 1050 ° C., and the second GaN layer 6 is crystallized until the surface is flattened by the lateral growth as shown in FIG. 6D. Grown up. Thus, the second GaN layer 6 having a low defect density was formed.
[0061]
Further, according to the same procedure as in FIG. 6B to FIG. 6D described above, as shown in FIG. 2 A growth suppression mask 7a is formed, and a third GaN layer 8 having a plurality of holes 8b is grown as shown in FIG. 2 (b). Further, as shown in FIG. 2 (c), the plurality of holes 8b are grown. By growing the fourth GaN layer 9 on the third GaN layer 8 having the surface until the surface is flattened, a substrate for a semiconductor device with a further reduced defect density could be obtained.
[0062]
About the semiconductor element substrate thus formed, as a result of performing etch pit density evaluation performed by immersing in an etching solution, as compared with a semiconductor element substrate manufactured by a conventional manufacturing method, The defect density was reduced by 2 to 6 digits.
[0063]
In Examples 1 and 2, SiO 2 2 The substrate in which the growth suppression masks 4a and 7a are buried by growing the upper GaN layer as it is without removing the growth suppression masks 4a and 7a. It is good.
[0064]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a substrate for a semiconductor element, in which the step of removing the growth suppression mask is omitted, will be described.
[0065]
(Example 3)
First, a substrate in which a buffer layer 1B and a GaN layer 1C were stacked on the SiC base main part 1A by MOCVD was prepared, and used as the base substrate 1 (FIG. 6A).
[0066]
SiH on the base substrate 1 (that is, on the GaN layer 1C) 4 Gas and N 2 SiO having a thickness of about 0.5 μm by plasma CVD using O gas 2 A film 4 was formed.
[0067]
Then SiO 2 A resist pattern (not shown) in which dots having a diameter of 2.5 μm or less are formed on the film 4 by a photolithography method at a pitch equivalent to the dot diameter, and CHF is used to form a CHF. 3 / O 2 SiO by RIE dry etching method using gas 2 The film 4 was etched. Then remove the resist 2 It was removed by plasma ashing. In this way, a plurality of dot-like SiO 2 A pattern in which the growth suppression masks 4a are discretely arranged is formed (FIG. 6B). At this time, SiO on the base substrate 2 The occupied area of the growth suppression mask 4a was set to be 40% or more and 90% or less of the total area of the upper surface of the substrate 1.
[0068]
Next, the temperature was set to 1050 ° C., and the first GaN layer 5 was grown on the substrate from the non-mask forming portion by about 3 μm. The first GaN layer 5 is grown from the non-mask-forming portion of the base substrate 1, and SiO 2 2 Since it does not grow on the growth suppression mask 4a, a layer having a plurality of holes 5b is formed (FIG. 6C).
[0069]
Thereafter, the temperature was set to 1080 ° C., and the second GaN layer 6 was crystal-grown by the MOCVD method again as shown in FIG. 7A until the surface was flattened by the lateral growth. Thus, the second GaN layer 6 having a low defect density was formed.
[0070]
Further, by the same procedure, the dot pattern-like SiO 2 A growth suppression mask 7a is formed, a third GaN layer 8 having a plurality of holes 8b is grown, and a fourth GaN layer 9 is flat on the third GaN layer 8 having the plurality of holes 8b. By growing the crystal until it was formed, a substrate for a semiconductor element with a reduced defect density as shown in FIG. 7B could be obtained.
[0071]
About the semiconductor element substrate thus formed, as a result of performing etch pit density evaluation performed by immersing in an etching solution, as compared with a semiconductor element substrate manufactured by a conventional manufacturing method, The defect density was reduced by about 4 to 6 digits.
[0072]
Next, an example of a semiconductor laser element which is an example of a semiconductor element provided with the semiconductor element substrate of the above example will be described.
[0073]
Example 4
As shown in FIG. 8, the n-GaN contact layer 10 and the n-Ga on the GaN layer 9 of the semiconductor element substrate formed by the method of Example 2. 1-z1 Al z1 N (2.5 nm) / GaN (2.5 nm) superlattice cladding layer 11, n-Ga 1-z2 Al z2 N optical waveguide layer 12, In x2 Ga 1-x2 N (Si doped) / In x1 Ga 1-x1 N multiple quantum well active layer 13 (0.5>x1> x2 ≧ 0), p-Ga 1-z3 Al z3 N carrier blocking layer 14, p-Ga 1-z2 Al z2 N optical waveguide layer 15, p-Ga 1-z1 Al z1 An N (2.5 nm) / GaN (2.5 nm) superlattice cladding layer 16 and a p-GaN contact layer 17 were stacked. Here, the composition ratio of the GaAlN semiconductor layer was 1 ≧ z1>z3> z2 ≧ 0.
[0074]
Subsequently, SiO 2 A film (not shown) and a resist (not shown) are formed, and the resist in a stripe region having a width of about 30 μm and SiO 2 are formed by ordinary lithography. 2 In order to leave the film, SiO other than this region 2 Remove the film and resist. Etching was performed halfway through the p-type superlattice cladding layer 16 by selective etching using RIE (reactive ion etching apparatus). The remaining thickness of the p-type superlattice cladding layer 16 in this etching was set to a thickness that can achieve refractive index guiding. Then resist and SiO 2 The membrane was removed.
[0075]
Next, again SiO 2 A film (not shown) and a resist (not shown) are formed, and SiO other than the stripe region and the region including the region 20 μm outside from each end of the stripe region is formed. 2 The film and the resist were removed, and etching was performed by RIE until the n-GaN contact layer 10 was exposed. Thereafter, using an ordinary lithography technique, an n-side electrode 18 made of Ti / Al is formed on the surface of the n-GaN contact layer 10, and a p-side electrode made of Ni / Au in the form of stripes on the surface of the p-GaN contact layer 17. 19 was formed. Thereafter, the substrate was polished and the sample was cleaved, and one of the resonator surfaces formed was coated with a high reflectance coating and the other with a low reflectance coating, and then formed into a chip to complete a semiconductor laser device.
[0076]
Since this semiconductor laser element has a wide stripe structure formed on the low-defect GaN layer 9, high reliability can be obtained even under high output.
[0077]
In the semiconductor laser device having the above configuration, the oscillation wavelength λ can be controlled in the range of 380 ≦ λ ≦ 550 (nm) by controlling the composition of the active layer.
[0078]
As the semiconductor laser device of this embodiment, a refractive index waveguide type semiconductor laser having a wide stripe ridge structure with a stripe width of 30 μm has been described. However, a laser having a current confinement structure or a ridge structure embedded therein is used for refractive index waveguide. A semiconductor laser with a built-in mechanism may be used. Further, the substrate for a semiconductor device of the present invention can be applied to the production of a semiconductor laser device that oscillates in a fundamental transverse mode with a stripe width of about 1 to 2 μm.
[0079]
Further, a semiconductor laser element in which the conductivity of each semiconductor layer in the above embodiment is reversed (n-type and p-type are interchanged) may be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a manufacturing process of a substrate for a semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a manufacturing process of a substrate for a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example layout of a growth suppression mask.
FIG. 4 is a perspective view of a semiconductor device substrate formed by removing a base substrate.
FIG. 5 is a perspective view of a conductive semiconductor element substrate.
6 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor element substrate in accordance with Example 2 of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor element substrate in Example 3 of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor laser device using a semiconductor device substrate according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Base board
1A Base board main part
1B GaN buffer layer
1C GaN layer
4 SiO 2 film
4a SiO 2 Growth suppression mask
5 First GaN layer
5b hole
6 Second GaN layer
7a SiO 2 Growth suppression mask
8 Third GaN layer
8b hole
9 Fourth GaN layer

Claims (15)

ベース基板上に、最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスクを離散させて形成する第一の工程と、
前記ベース基板上の、前記成長抑制マスクが形成されていない非マスク形成部分から、GaN層を成長させて、複数の穴を有する第一のGaN層を形成する第二の工程と、
前記第一のGaN層上に第二のGaN層を形成する第三の工程とを含むことを特徴とする半導体素子用基板の製造方法。
A first step of discretely forming a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less on a base substrate;
A second step of forming a first GaN layer having a plurality of holes by growing a GaN layer from a non-mask forming portion on which the growth suppression mask is not formed on the base substrate;
And a third step of forming a second GaN layer on the first GaN layer.
前記第二の工程の後、第三の工程前に、前記成長抑制マスクを除去する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子用基板の製造方法。2. The method of manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the growth suppression mask after the second step and before the third step. 前記第二のGaN層上に最大幅2.5μm以下の複数の新たな成長抑制マスクを形成する第四の工程と、
前記第二のGaN層上の、前記新たな成長抑制マスクが形成されていない非マスク形成部分から、GaN層を成長させて、複数の穴を有する第三のGaN層を形成する第五の工程と、
前記第三のGaN層上に第四のGaN層を形成する第六の工程とを含むことを特徴とする請求項1または2記載の半導体素子用基板の製造方法。
A fourth step of forming a plurality of new growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less on the second GaN layer;
A fifth step of growing a GaN layer from a non-mask forming portion on which the new growth suppression mask is not formed on the second GaN layer to form a third GaN layer having a plurality of holes. When,
The method for manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a sixth step of forming a fourth GaN layer on the third GaN layer.
前記第五の工程の後、第六の工程前に、前記新たな成長抑制マスクを除去する工程を含むことを特徴とする請求項3記載の半導体素子用基板の製造方法。4. The method of manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 3, further comprising a step of removing the new growth suppression mask after the fifth step and before the sixth step. 前記成長抑制マスク同士の間隔が、2.5μm以下であることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。5. The method for manufacturing a substrate for a semiconductor element according to claim 1, wherein an interval between the growth suppression masks is 2.5 μm or less. 前記成長抑制マスクが形成される層の上面における前記マスクが占める面積の割合が40%以上、90%以下であることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。6. The semiconductor element substrate according to claim 1, wherein a ratio of an area occupied by the mask on an upper surface of a layer on which the growth suppression mask is formed is 40% or more and 90% or less. Production method. 前記成長抑制マスクが、誘電体材料からなることを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。The method for manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 1, wherein the growth suppression mask is made of a dielectric material. 最上層として、導電性不純物をドーピングした導電性GaN層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。8. The method for manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming a conductive GaN layer doped with a conductive impurity as the uppermost layer. 前記ベース基板が、該ベース基板の前記成長抑制マスクが形成される面が、GaN、サファイア、SiC、ZnO、LiGaO、LiAlO、ZrB、GaAs、GaP、GeまたはSiのいずれか一つにより構成されているものであることを特徴とする請求項1から8いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。The surface on which the growth suppression mask of the base substrate is formed is any one of GaN, sapphire, SiC, ZnO, LiGaO 2 , LiAlO 2 , ZrB 2 , GaAs, GaP, Ge, or Si. 9. The method of manufacturing a substrate for a semiconductor element according to claim 1, wherein the substrate is configured. 前記ベース基板を除去する工程を含むことを特徴とする請求項1から9いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法。The method for manufacturing a substrate for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the base substrate. 請求項1から10いずれか1項記載の半導体素子用基板の製造方法により製造された半導体素子用基板上に半導体層を備えてなることを特徴とする半導体素子。A semiconductor element comprising a semiconductor layer on a semiconductor element substrate manufactured by the method for manufacturing a semiconductor element substrate according to claim 1. ベース基板と、
該ベース基板上の、離散して形成された最大幅2.5μm以下の複数の成長抑制マスク以外の非マスク形成部分から成長した、複数の穴を有する第一のGaN層と、
前記第一のGaN層上に形成された第二のGaN層とを備えたことを特徴とする半導体素子用基板。
A base substrate;
A first GaN layer having a plurality of holes grown from a non-mask forming portion other than a plurality of growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less formed discretely on the base substrate;
A semiconductor device substrate comprising: a second GaN layer formed on the first GaN layer.
前記第二のGaN層上の、離散して形成された最大幅2.5μm以下の複数の新たな成長抑制マスク以外の非マスク形成部分から成長した、複数の穴を有する第三のGaN層と、
前記第三のGaN層上に形成された第四のGaN層とを備えたことを特徴とする請求項12記載の半導体素子用基板
A third GaN layer having a plurality of holes grown from a non-mask forming portion other than a plurality of new growth suppression masks having a maximum width of 2.5 μm or less formed discretely on the second GaN layer; ,
13. The substrate for a semiconductor device according to claim 12, further comprising a fourth GaN layer formed on the third GaN layer.
前記成長抑制マスク同士の間隔が2.5μm以下であることを特徴とする請求項12または13記載の半導体素子用基板。14. The semiconductor element substrate according to claim 12, wherein a distance between the growth suppression masks is 2.5 [mu] m or less. 前記成長抑制マスクが形成された層の上面における前記マスクが占める面積の割合が40%以上、90%以下であることを特徴とする請求項12から14いずれか1項記載の半導体素子用基板。15. The semiconductor element substrate according to claim 12, wherein a ratio of an area occupied by the mask on an upper surface of the layer on which the growth suppression mask is formed is 40% or more and 90% or less.
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